Ultragyors áramot keltettek fémekben magyar kutatók

Látványos eredményt értek el a Wigner Fizikai Kutatóközpont szakemberei: sikerült fémekben ultragyors elektromos áramot kelteniük a fény elektromos terének felhasználásával.

A friss tanulmány egy eddig példa nélküli kísérletet ír le, ahol lézerfény segítségével, a másodperc milliárdod részének milliomod részéhez mérhető sebességgel indítottak el elektronokat egy nanométeres vastagságú anyagban. A kutatók szerint ez a módszer forradalmasíthatja a jövő számítógépeinek működési sebességét, és új korszakot nyithat az ultranagy sebességű adatfeldolgozásban.

A jelenlegi számítógépes rendszerek alapját képező tranzisztorok működése néhány milliárdod másodperc alatt kapcsolgat, amelyet elektromos feszültség alkalmazásával érnek el. E technológia azonban fizikai határaihoz közeledik. A budapesti kutatók most azt vizsgálták, hogy vajon közvetlenül a fény elektromos tere is képes lehet-e ugyanerre — méghozzá lényegesen gyorsabban.

Fényvezérelt elektronmozgás femtoszekundum alatt

Az áttörést jelentő kísérletben a kutatók egy különleges, néhány atomi réteg vastagságú anyagot használtak, amely váltakozó nanométeres irídium- és zafírrétegekből áll. Ezt a különleges heterostrukturált anyagot Németországban állították elő, majd a budapesti lézerlaboratóriumba szállították, ahol a legmodernebb femtoszekundumos lézerek segítségével vizsgálták a fény és a fémek közvetlen kölcsönhatását.

Ahelyett, hogy feszültséget kapcsoltak volna a fémvezetékekre, egy rendkívül rövid, mindössze néhány femtoszekundumos lézerimpulzussal mozgatták meg az anyag belsejében lévő elektronokat. Ez az úgynevezett fényvezérelt kapcsolás akár százezerszer gyorsabb lehet a jelenlegi mikroelektronikai rendszereknél, és lehetővé teheti, hogy a jövőben szupergyors logikai műveletek fénnyel történjenek, vezetékek és hagyományos kapcsolók nélkül.

„Azt a kérdést tettük fel, hogy vajon létrehozható-e áram feszültségforrás nélkül, pusztán lézerfény alkalmazásával egy fémben” — mondta Hanus Václav, a kutatás egyik vezetője. Fehér Beatrix doktorandusz hozzátette: a vizsgált anyagok egyedülállóak voltak, és különleges atomi rétegleválasztásos technológiával készültek. A kísérletekhez felhasznált optikai eszközöket szintén magyar fejlesztésű kompakt rendszerekkel végezték, amelyek jelentősen megkönnyítették a lézernyalábok pontos karakterizálását.

Új utakon: a lézerfény és a nanoanyagok világa

A kutatás jelentősége messze túlmutat az alapkutatáson. Az új eljárás hozzájárulhat az új generációs optoelektronikai eszközök fejlesztéséhez, ahol a fénnyel közvetlenül vezérelt logikai műveletek váltják fel a jelenlegi elektronikát. Dombi Péter, a kutatócsoport vezetője szerint a mostani eredmények csak a kezdetét jelentik egy izgalmas felfedezőútnak, amely néhány éven belül akár kereskedelmi technológiává is fejlődhet.

„A fény és a nanoanyagok ultragyors kölcsönhatásainak vizsgálata jelenleg a tudomány egyik legdinamikusabban fejlődő területe. Mi most ennek a határterületnek a közepén dolgozhatunk, és ez rendkívül inspiráló” — mondta a kutatócsoport vezetője. Már most kézzelfogható eredményként született egy olyan kompakt optikai berendezés, amellyel a lézernyalábok tulajdonságait sokkal gyorsabban és pontosabban lehet mérni, mint eddig.

Hol tart most a világ ezen a területen?

Nemcsak Magyarországon zajlanak hasonló kísérletek. Világszerte számos kutatócsoport dolgozik azon, hogy a femtoszekundumos és attoszekundumos lézertechnológiákat felhasználva új adatfeldolgozási módszereket fejlesszenek. Az amerikai Massachusetts Institute of Technology, a német Max Planck Intézet és a japán RIKEN központjaiban is folynak hasonló vizsgálatok. A cél mindenhol ugyanaz: olyan szupergyors elektronikai és optikai rendszerek létrehozása, amelyek több nagyságrenddel múlják felül a jelenlegi processzorok sebességét. A magyar kutatók mostani eredménye ezért nemcsak hazai, hanem nemzetközi szinten is figyelemre méltó, és a tudományos közösség jelentős érdeklődését váltotta ki.